(PhysOrg.com) -- Human Genome Project banade väg för genomik, studiet av en organisms genom. Personlig genomik kan fastställa sambandet mellan DNA-sekvensvariationer mellan individer och deras hälsotillstånd och svar på läkemedel och behandlingar. För att göra genomsekvensering till en rutinprocedur, dock, tiden måste minskas till mindre än en dag och kostnaden till mindre än $1, 000 - en bedrift som inte är möjlig med nuvarande kunskap och teknik.

2008, en forskargrupp ledd av Aleksei Aksimentiev, biträdande professor vid fysikavdelningen vid University of Illinois-Urbana-Champaign, påbörjade ett projekt för att skapa maskiner för personlig genomsekvensering som ska vara mer tillgängliga för sjukhus. Använder Oak Ridge National Laboratorys Jaguar, en av världens snabbaste superdatorer, Aksimentiev och hans team utvecklar en nanopore-strategi, vilket utlovar en drastisk minskning av tid och kostnader för DNA-sekvensering. Deras forskning avslöjar formen på DNA som rör sig genom en enda nanopor - en proteinpor som är en miljarddels meter bred som korsar ett membran. När DNA:t passerar genom porerna, sekvensen av nukleotider (DNA-byggstenar) läses av en detektor.

"Det främsta hindret för sekvensering med hjälp av de äldre generationerna av biologiska och syntetiska nanoporer var oförmågan att identifiera DNA-sekvensen till singelnukleotidupplösning, " Sa Aksimentiev. "Nukleotiderna passerade för snabbt genom nanoporen för att forskare skulle kunna sekvensera DNA:t."

Aksimentievs grupp använder nanopore MspA, ett konstruerat protein. Dess sekvens måste ändras för att binda starkare till den rörliga DNA-strängen. MspA är en idealisk plattform för att sekvensera DNA eftersom forskare nu kan mäta dammar i porerna, vilket kan bromsa DNA:s resa genom proteinet. Att ändra MspA-proteinet för att optimera dammar är både tidskrävande och kostsamt i ett laboratorium men enkelt på en dator. Till exempel, att ändra proteinet på något sätt, forskare måste avgöra om den specifika mutationen de introducerar är stabil och om idén är rimlig. Därför, forskarna simulerar först MspA för att besluta om en mutation som ska induceras och för att testa högriskidéer innan de implementeras i ett experiment.

Forskargruppen använder koden NAMD, som beräknar minimienergitillstånd för atomer i ett stort biomolekylärt system och är en indikator på vilka former molekylerna skulle vara bekvämast att anta. Teamet bygger först en modell av MspA-proteinet nedsänkt i en lipiddubbelskikts- och elektrolytlösning. En DNA-sträng av en önskad nukleotidsekvens träs sedan genom MspA-nanoporen. Därefter simulerar forskarna effekten av ett elektriskt fält som driver joner och DNA genom MspA nanopore.

Simuleringen använder molekylär dynamik, eller beräkningar av varje atoms rörelse i ett molekylärt system enligt de fysiska naturlagarna, att efterlikna det experimentella systemet. Simuleringarnas resultat kan direkt jämföras med de från experiment eftersom båda metoderna mäter jonströmmen, enligt Aksimentiev. Genom att känna till positionerna för varje DNA-atom och jon, forskare får en fördel - de kan optimera nanopore-sekvensering med hjälp av en rationell design för att producera en por som kramar om DNA:t tätare, saktar ner molekylens resa genom poren till en hastighet som tillåter en ennukleotidupplösning.

Sekvenseringsarbetet finansieras av National Human Genome Research Institute vid National Institutes of Health. Projektets metodutveckling finansieras delvis av National Science Foundation. Samarbetspartners med projektet inkluderar två experimentella grupper:en ledd av Jens Gundlach vid University of Washington-Seattle och den andra av Michael Niederweis vid University of Alabama-Birmingham.

Forskningen fick 10 miljoner processortimmar på Jaguar genom Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, eller HETA, program, som delar ut betydande anslag på några av världens mest kraftfulla superdatorer till projekt som tar itu med stora utmaningar inom vetenskap och teknik. Med INCITE-tilldelningen, forskarna kunde reproducera fördämningarna i MspA nanopore för den typ av DNA-nukleotider som var begränsade till den, saktar ner sekvensrörelsen genom nanoporen.

"Vi har genomfört en pilotstudie på flera varianter av MspA nanopore och observerat avsevärd minskning av DNA-strängens hastighet, " sade Aksimentiev. "Dessa mycket preliminära resultat tyder på att uppnå en 100-faldig minskning av DNA-hastigheten, vilket borde vara tillräckligt för att avläsa DNA-sekvensen med singelnukleotidupplösning, är inom räckhåll. Framtida studier kommer att riktas mot detta mål."

Teamet hoppas kunna uppnå detta projekts mål senast 2013 och planerar att driva ett antal spännande spin-off-projekt, sade Aksimentiev. Möjligheten att göra genomsekvensering överkomlig kommer att möjliggöra sådana program som Cancer Genome Project, som kännetecknar DNA-mutationer i cancerceller i olika vävnader genom alla stadier av cancerutvecklingen.